齊立東①
( 北京首鋼股份有限公司河北遷安064404)
摘 要 北京首鋼股份有限公司4000m3高爐熱風爐通過技術改造采用一種先進的高效節能型預熱器－板式煤氣預熱器取代原管式預熱器，效果顯著。技術改造的結果表明，原煤氣預熱器失效的主要原因是熱管損壞失效超過總數的一半以上，煤氣預熱溫度只能達到40℃，嚴重影響到了煙氣余熱的回收，造成熱風爐系統熱效率降低、燃料消耗增加，設備維護成本大幅升高。技術改造后，熱風爐系統整體熱效率大幅提高，高爐煤氣消耗有效降低、便于設備維護，節約生產成本。
關 鍵 詞 熱風爐 煤氣預熱器 改進 節能
1 概述
北京首鋼股份有限公司( 以下簡稱首鋼股份公司) 三高爐爐容4000m3，熱風爐系統配置4 座內燃式熱風爐，運行方式為交叉并聯2 燒2 送，煤氣采用低溫預熱，助燃空氣采用預熱爐高溫預熱，目前送風平均風溫1170℃。熱風爐產生的煙氣一部分用于預熱高爐煤氣，一部分通過煙氣旁通管進入煙囪放散，預熱爐產生的煙氣直接進入煙囪放散。煙氣溫度250～330℃，平均溫度290℃。
高爐熱風爐煤氣預熱原設計采用低溫熱管預熱器，2010 年投入使用兩年左右出現預熱效果下降的問題，2014 年8 月三高爐煤氣換熱器卡盲板開始檢漏，三爐煤氣預熱器共安裝管束34 排，19排管束內泄不能繼續使用，其余外泄管束處理完成可恢復15 排繼續使用，檢修費用30 萬元。2015 年1 月16 日煤氣預熱器投入使用煤氣預熱溫度110℃，三周后煤氣預熱效果逐步下降，進入5 月份煤氣預熱溫度降低至40℃。因此決定將原高爐煤氣熱管預熱器改進為新型板式預熱器。
2 新型板式預熱器領域技術現狀
新型板式預熱器克服了熱管換熱器的一些缺點，傳熱效率高、耐腐蝕、壽命長、積灰現象不明顯，熱風爐系統的熱效率可以長期維持在高水平運行，從而減少了高爐煤氣消耗、節約了運行成本，近年來在國內多座高爐的熱風爐系統上得到應用，取得了良好的效果，是一種較為先進的高效節能型預熱器。
2． 1 新型板式預熱器結構特點
1) 換熱板片加工成橢圓形流水線曲面波紋，區別于現有正弦波紋。使其流道更平緩，具有更小的流體阻力。
2) 采用高低溫不等流道設計技術，使高溫通道與低溫通道保持穩定的流速，獲得相同的流動特性保證阻力與傳熱的良好結合。
3) 換熱箱體內設計有波紋補償技術，消除換熱單元的熱膨脹對板束的應力破壞。
4) 采用煤氣管箱內承壓流道設計技術，使設備密封性能與保溫得到更好的保護。
5) 采用介質管箱的導流設計技術，使介質的阻力進一步降低。
2． 2 新型板式預熱器優點
新型板式預熱器采用高效、防堵、耐腐蝕、壽命長、技術成熟的板式預熱器預熱煤氣和助燃空氣。該技術已在國內高爐熱風爐系統廣泛采用，取得了良好的使用表現。由于采用引進的耐煤氣腐蝕材料，從根本上解決了現有設備存在的壽命短、不安全的問題。
3 熱管預熱器與板式預熱器的對比
3． 1 熱管預熱器
熱管預熱器是目前在冶金行業常用的預熱器，但熱管式預熱器存在熱媒損失、不凝氣等缺點，熱管會因真空度下降而失效。如果使用溫度過高時( 水臨界溫度374℃ 時，臨界壓力225 公斤) ，熱管內蒸氣壓特別大，就必須采用價格較昂貴的工質或者采用耐高溫高壓材料做熱管，導致設備造價過高。若使用水－碳鋼熱管則容易出現爆管，溫度過低( 140℃) 又產生結露腐蝕。以上因素嚴重制約了設備的使用壽命和使用溫度。由于熱管失效很難判定原因和檢測缺陷位置，一般情況下需要對所有的熱管進行重新抽真空或更換，維修成本高，檢修周期長，間接地造成更大的經濟損失。另外帶翅片的熱管預熱器還有其他的一些弱點，如熱管的排數不能過大，翅片積灰且不易清除等缺點。以上所有缺點不但降低了換熱效果，增加了生產成本，甚至影響正常生產，造成安全隱患。熱管式預熱器的壽命一般為2～5年，其中能滿足設計要求的時間為1 ～ 3 年。
3． 2 新型板式預熱器
新型板式預熱器是近年來開發的一種較為先進的高效節能型預熱器，具有傳熱效率高、結構緊湊、耐腐蝕、壽命長，不易積灰、易清洗、維護量小等優點，近年來在國內多座高爐的熱風爐系統上得到應用，取得了良好的效果，板式預熱器主要有以下特點:
1) 預熱器核心部件根據介質特性選用優質不銹鋼材質，經液壓機壓制并作滲漏探傷、板管自動生產線焊接、焊縫的探傷及逐個試壓、端部組裝焊接、板束的探傷及試壓、設備的總成及試壓等工序。設備箱體采用碳鋼及結構件; 單元與單元之間的連接、固定、支撐、導向等用材與所在位置的板片材質保持一致。
2) 煙氣、煤氣在板束內交錯預熱，結構簡單、流道清晰，充分考慮煤氣特點，無煤氣死區。采用模塊化組裝，便于設備制造、運輸、安裝、維修。
3) 考慮到煙氣、煤氣含塵問題，采用合理的流速避免磨損和沉積。煤氣自上而下流動，加強煤氣側灰分的自吹掃作用，使煤氣、煙氣側粉塵不易在板管內沉積，且不易積垢。
4) 為解決兩側介質熱膨脹而引起的溫差應力，以及板束與箱體的熱膨脹不均引起的溫差應力，在殼體內部設置膨脹節，保證設備長周期安全運行，避免熱應力對設備的破壞。
綜上所述，新型熱管式預熱器在傳熱效率、耐腐蝕、維護成本上與傳統熱管式預熱器相比具有巨大優勢，是目前使用效果較好的煤氣預熱器。
4 預熱器的改造及應用
針對首鋼股份公司熱風爐相關參數和高爐操作的特殊情況，結合在原有的低溫熱管預熱器使用過程中出現的問題，確保預熱器工作安全可靠，本次改造工程進展順利并進行了有針對性的特殊改進。
4． 1 預熱器改造主要參數
預熱器改造主要參數見表1。
4． 2 預熱器防腐蝕性能
本次改進，充分考慮了高爐煤氣采用干法除塵，煤氣中S －、Cl － 腐蝕特性，對預熱器箱體( 外殼) 及預熱片采取可靠的防腐和必要的保溫措施，尤其是箱體下部、箱體底板及煤氣預熱器前部( 靠近煤氣入口區域) ，采取涂裝樹脂的辦法，提高箱體的抗腐蝕能力; 箱體底部設計排水坡度，并在箱體底部設置有排水口，排水孔公稱直徑為DN50，即使箱體內部有積水，也能及時排出，以降低積水對箱體的腐蝕; 在煤氣換熱器排水管后設置煤氣水封，方便箱體內冷凝水及時排出。
4． 3 預熱器維檢方便、可靠
箱體上留有氮氣吹掃接口，并在管道高處設置放散裝置，方便檢修時對箱體進行吹掃。為方便檢修維護，在預熱器下部及各介質的進口、出口均設置有檢修人孔。
4． 4 預熱器保溫及安全性能
預熱器箱體采用硅酸鹽保溫材料隔熱，箱體外殼溫度≤50℃，減少熱損失; 在換熱器煙氣進、出口處各設置一臺CO 在線監測儀，實時監控熱風爐煙氣中的CO 量變化，從而可以判斷換熱器是否存在泄露問題，確保換熱器的使用安全; 為了能安全、方便地檢修，在煤氣進出口管道上各增加一個插板閥及手孔，在煙氣進出口管道上各增加一套盲板及法蘭。
5 改進前后經濟效益對比
預熱器改造前后的能源回收及經濟效益分析對比情況見表2。
通過上表可以看出，板式預熱器回收的能量與現有換熱器相比，每年可以節約高爐煤氣費約640 萬元，則項目正常年增量效益為640 萬元。
6 結論
1) 采用一種先進的高效節能型預熱器－ 板式煤氣預熱器取代原管式預熱器，節能效果明顯。
2) 技術改造前，原煤氣預熱器失效的主要原因是熱管損壞失效超過總數的一半以上，煤氣預熱溫度只能達到40℃，嚴重影響到了煙氣余熱的回收，造成熱風爐系統熱效率降低、燃料消耗增加，設備維護成本大幅升高。
3) 技術改造后，煤氣出口溫度由40℃ 升至185℃; 年回收能源增量約12850 噸標準煤，降低噸鐵工序能耗約4． 6kgce /t。熱風爐系統整體熱效率大幅提高，高爐煤氣消耗有效降低、便于設備維護，節約生產成本。
參 考 文 獻
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